脈沖氣流-微孔成泡技術(shù)研究進(jìn)展*

趙思佳，張一如，宋阿娟，李 超

(1.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 中原關(guān)鍵金屬實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

0 引言

氣泡常應(yīng)用于化工、生物技術(shù)、冶金工程和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的傳質(zhì)過程中，如廢水處理中的氧氣微氣泡化釋放或光生物反應(yīng)器中的藻類對(duì)二氧化碳的吸收[1]。單位體積氣體形成的氣泡尺寸越小，數(shù)量越多，其總傳質(zhì)面積越大；另外，氣泡尺寸越小，上升速度越慢，在反應(yīng)環(huán)境內(nèi)停留時(shí)間越長，則反應(yīng)效率越高[2-3]。因此，經(jīng)濟(jì)高效的微氣泡發(fā)生技術(shù)研究一直是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

微孔成泡技術(shù)因具有設(shè)備構(gòu)造簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于傳質(zhì)傳熱領(lǐng)域。然而，氣泡從微孔脫附及脫附后的兼并導(dǎo)致成泡尺寸遠(yuǎn)大于微孔直徑[4]，一定程度上限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。近年來的研究表明，通過改變氣流通過微孔的流態(tài)，將其由穩(wěn)定的連續(xù)氣流轉(zhuǎn)換成具有固定特征的脈沖氣流，可顯著降低微孔成泡尺寸，在礦物分選[5]、藻類回收[6]等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。本文從脈沖氣流形成方式、微孔成泡力學(xué)分析和成泡動(dòng)力學(xué)角度，總結(jié)了脈沖氣流優(yōu)化微孔成泡技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以期為綠色高效微氣泡發(fā)生技術(shù)的發(fā)展提供理論參考。

1 微氣泡發(fā)生技術(shù)概述

通常，直徑在1～1 000 μm的氣泡被認(rèn)為是微氣泡[7]，微氣泡和顆粒的有效碰撞是氣泡顆粒動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要指標(biāo)，也是影響傳質(zhì)效率的一個(gè)重要因素。通常用界面?zhèn)髻|(zhì)通量J(mol/s)描述化工中的傳質(zhì)效率：

J=KLa(cg-cl) ，

(1)

式中，KL是傳質(zhì)系數(shù)，a表示單位體積的總表面積，cg和cl分別表示氣相和液相中物質(zhì)的摩爾濃度。由式(1)可知，傳質(zhì)通量J與總表面積a成正比，因此，減小氣泡尺寸即增大總表面積是提高傳質(zhì)效率的關(guān)鍵。

目前，化工領(lǐng)域常見的氣泡生成方式有機(jī)械攪拌成泡、射流成泡、空化成泡、水電解成泡、微孔成泡等。

1.1 機(jī)械攪拌成泡技術(shù)

該技術(shù)是利用葉片機(jī)械式攪拌剪切使氣體充入液相中，并通過液體強(qiáng)湍流使氣體被分割成微氣泡。攪拌速度越大，氣泡將被分割得越小。該成泡方式具有氣泡分散效果好、處理能力大、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；但由于依賴強(qiáng)湍流，因此具有成泡環(huán)境難以調(diào)節(jié)、葉輪易磨損、能耗高等缺點(diǎn)。

1.2 射流成泡技術(shù)

該技術(shù)是指利用射流管內(nèi)過流斷面的變化使水流在管道內(nèi)發(fā)生劇烈碰撞，對(duì)氣泡進(jìn)行切割產(chǎn)生微氣泡[8]。該成泡方式具有管道粗、流速快、不易阻塞、混合攪拌能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但該技術(shù)對(duì)水質(zhì)要求高，管道設(shè)計(jì)復(fù)雜，不利于在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用。

1.3 空化成泡技術(shù)

空化成泡包含水力空化成泡和超聲空化成泡[9-10]，兩者對(duì)過程的強(qiáng)化原理是相同的，只是技術(shù)手段有差異。超聲空化成泡是指基于超聲波處理的液體空化效應(yīng)，當(dāng)超聲波能量達(dá)到一定值后，液體中會(huì)釋放出許多微氣泡[11]；水力空化成泡是指水流在一定的溫度下，當(dāng)局部壓強(qiáng)降至該溫度的飽和蒸氣壓以下時(shí)，造成液體氣化使微氣泡(或者氣核)爆發(fā)性生長的現(xiàn)象[12]?？栈膳菁夹g(shù)具有成泡尺寸小且均勻的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜、不同參數(shù)可能會(huì)產(chǎn)生相反效果、能量利用率低[11]等缺點(diǎn)。

1.4 水電解成泡技術(shù)

該技術(shù)是指利用電能破壞水的分子結(jié)構(gòu)，使水分子被分解成為氣體之后，從電極的正負(fù)兩極析出，并以氣泡的形式釋放[13]。電極不同，微氣泡所包裹的氣體也不同。水電解成泡是制取高純度氣體最簡單的方法之一，制備過程無污染，但該成泡方式能耗相對(duì)較高，不利于工業(yè)化應(yīng)用[14]。

1.5 微孔成泡技術(shù)

微孔成泡是氣體(一般為空氣)經(jīng)過微孔結(jié)構(gòu)時(shí)被切割成一定尺寸的微氣泡，具體成泡原理見圖1。相較于以上成泡技術(shù)，微孔成泡技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作性能可靠、價(jià)格低廉、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[15]，但成泡尺寸相對(duì)較大，一般遠(yuǎn)大于成泡微孔直徑。 因此，降低微孔成泡尺寸一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

圖1 微孔板成泡原理

微孔成泡是一種傳統(tǒng)的成泡方式[16]，氣泡形成包括兩個(gè)階段：①氣泡生長并從孔口脫離；②氣泡的兼并。因此，微孔成泡的尺寸由氣泡脫附尺寸與兼并尺寸共同決定。

微孔成泡過程中的兼并形式主要分為由于孔間距過近造成的橫向兼并[17-18]，以及由氣泡上升過程中的尾流效應(yīng)造成的縱向兼并[19]。前者可通過調(diào)節(jié)孔間距改善，后者主要與氣體過孔流態(tài)有關(guān)。另外，完整形成的氣泡在反應(yīng)器內(nèi)上升的過程中由于表面張力過大也可能發(fā)生兼并現(xiàn)象。針對(duì)此情況,一般通過添加表面活性劑降低氣液界面張力來抑制氣泡兼并[20]。

微孔成泡過程中氣泡脫附和兼并本質(zhì)上由氣泡受力情況決定。微孔成泡的受力分析見圖2。

圖2 氣泡受力分析[21]

氣體通過微孔時(shí)以一定動(dòng)量力沖擊氣液界面驅(qū)動(dòng)氣泡生長，同時(shí)浮力伴隨氣泡的生長逐漸增大并進(jìn)一步促使氣泡長大，氣體動(dòng)量力FM和浮力FB屬于脫附力，二者的共同作用會(huì)促進(jìn)氣泡脫附。此外，氣泡從微孔脫附前受到多種約束力，包括氣液界面張力Fσ、流體黏滯力Fl以及慣性力Fd[22]。氣泡在脫附之前所受合力處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，脫附的臨界條件為脫附力大于約束力。

浮力和動(dòng)量力的表達(dá)式[23]為

FB=VB(ρl-ρg)g，

(2)

(3)

式中，VB為氣泡體積，ρl和ρg分別為液體密度和氣體密度，g為重力加速度，V0和A為氣體注入流速和孔口面積。

SATTARI等[24]研究發(fā)現(xiàn)氣體動(dòng)量力較弱的情況下，氣泡生長過程中的脫附力以浮力為主，當(dāng)氣泡尺寸10倍以上于孔徑時(shí)，氣泡才能產(chǎn)生足夠的浮力實(shí)現(xiàn)脫附。因此，提高氣體動(dòng)量力，降低成泡過程對(duì)浮力的依賴是減小氣泡脫附尺寸的關(guān)鍵。除成泡直徑較大外，成泡過程不穩(wěn)定即氣泡尺寸不均勻是微孔成泡的另一個(gè)缺點(diǎn)(見圖3)。由圖3(a) 可知，由于加工條件限制導(dǎo)致孔板上的微孔直徑無法絕對(duì)相同，所以經(jīng)微孔排出的氣泡大小不一；由圖3(b)可知，氣/液界面的壓差△P與曲率半徑r成反比，因此較大直徑孔口處氣液界面阻力相對(duì)較小，氣體優(yōu)先通過該孔成泡[25]。成泡之后該孔口附近氣壓瞬間降低，周圍氣體流入，導(dǎo)致其余微孔處氣壓低，無法克服孔口處氣液界面張力而成泡。因此，連續(xù)氣流下多孔板成泡過程中經(jīng)常出現(xiàn)只有部分微孔成泡的現(xiàn)象。增加氣體動(dòng)量力，克服不同微孔內(nèi)壓差不均衡的問題，是降低微孔成泡尺寸和提高成泡效率的關(guān)鍵。

圖3 微孔平行排布時(shí)出泡的不穩(wěn)定性及Young-Laplace方程[26]

2 脈沖氣流形成技術(shù)

將連續(xù)氣流轉(zhuǎn)變成脈沖氣流后可顯著提高氣體動(dòng)量力。SONG等[21]開發(fā)了脈沖氣流-微孔成泡下的動(dòng)量力模型，該模型是脈沖頻率、單個(gè)周期內(nèi)氣流通斷時(shí)間比及氣體流量的函數(shù)，具體模型公式為

(4)

目前，脈沖氣流的發(fā)生裝置主要有流體振蕩器和高頻電磁閥兩類，其本質(zhì)是將連續(xù)氣流轉(zhuǎn)換成具有一定脈沖頻率或者固定氣流通斷時(shí)間比的間歇性氣流。

2.1 流體振蕩器

流體振蕩器主要包括氣流偏轉(zhuǎn)腔體和具有反饋回路特性的管路兩部分，通過改變反饋回路長度以及氣流速率可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的調(diào)控。 流體振蕩器無運(yùn)動(dòng)部件，具有使用壽命長、無需維護(hù)、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。但是該振蕩器對(duì)氣源穩(wěn)定性要求較高，氣源壓力的微小波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致脈沖頻率出現(xiàn)較大波動(dòng)；脈沖頻率取決于氣體流量和反饋回路長度，尚無法對(duì)其進(jìn)行可視化精準(zhǔn)調(diào)控；更重要的是，流體振蕩器脈沖成泡只能改變氣流脈沖頻率，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)周期內(nèi)氣流通斷時(shí)間比的調(diào)控[5]。

2.2 高頻電磁閥

高頻電磁閥是控制流體運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化基礎(chǔ)器件，屬于電磁控制的執(zhí)行器，廣泛用于不同電路中以實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制效果，能夠控制介質(zhì)(一般為氣體)流量、速度、方向和其他參數(shù)，具有高控制精度和高靈活性的特點(diǎn)。

電磁閥控制脈沖氣流是通過快速開關(guān)充氣閥門將連續(xù)氣流轉(zhuǎn)換成脈沖氣流，其配合工作部件是PLC控制器(可編程邏輯控制器)，具有調(diào)節(jié)氣流周期和開關(guān)時(shí)間的作用，從而使流經(jīng)電磁閥的氣體具有一定的周期性[27]。

高頻電磁閥由連接的PLC控制器調(diào)節(jié)控制，可進(jìn)行可視化的脈沖頻率精準(zhǔn)調(diào)控。此外，相較于流體振蕩器，電磁閥可以調(diào)節(jié)脈沖流態(tài)下單個(gè)周期內(nèi)的開關(guān)時(shí)間比。但是，由于電磁閥的壽命有限，其使用維護(hù)成本比流體振蕩器高。

3 脈沖氣流下微孔成泡動(dòng)力學(xué)

微孔成泡尺寸取決于氣泡從微孔脫附以及脫附后的兼并程度等成泡動(dòng)力學(xué)特征，國內(nèi)外學(xué)者通過高速動(dòng)態(tài)光學(xué)觀測(cè)分別研究了基于流體振蕩器和高頻電磁閥的兩種脈沖氣流狀態(tài)成泡尺寸減小的微觀機(jī)理。

3.1 基于流體振蕩器的脈沖成泡動(dòng)力學(xué)

BRITTLE等[28]研究了基于流體振蕩器的氣泡平均直徑與脈沖頻率的關(guān)系，指出脈沖氣流下微孔成泡尺寸減小的原因是減少了孔口處氣泡之間的縱向兼并。流體振蕩器孔口處的微氣泡軌跡見圖4。

圖4 基于流體振蕩器的脈沖流態(tài)下微孔孔口處氣泡移動(dòng)軌跡[30]

氣泡從孔口脫附后由于浮力而向上運(yùn)動(dòng)，在未遠(yuǎn)離孔口之前，氣流關(guān)閉時(shí)由于流體振蕩器特有的脈沖特征使得孔口處產(chǎn)生瞬間負(fù)壓，氣泡隨液相流體被“倒吸”進(jìn)入孔內(nèi)；氣體再次通入振蕩器后氣泡被孔道內(nèi)液相流體高速“推離”孔口，增大了該氣泡與尾隨氣泡之間的距離，從而避免了氣泡因兼并而造成的尺寸變大[29-30]。

以上研究并未揭示脈沖氣流對(duì)氣泡脫附的影響，由于微孔成泡尺寸與氣泡脫附尺寸密切相關(guān)，脈沖氣流可以顯著增大氣體動(dòng)量力從而驅(qū)動(dòng)氣泡以更小尺寸提前脫附。因此，基于流體振蕩器的脈沖流態(tài)下氣泡從微孔脫附的動(dòng)力學(xué)仍有待進(jìn)一步研究。

3.2 基于高頻電磁閥的脈沖成泡動(dòng)力學(xué)

SONG等[4]通過將成泡過程分解為脫附和兼并兩個(gè)部分，對(duì)基于電磁閥的脈沖氣流降低微孔成泡尺寸的原因進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)量力增大驅(qū)動(dòng)氣泡提前脫附導(dǎo)致氣泡脫附直徑最大可減小14.74%，由減少氣泡與尾隨氣泡兼并導(dǎo)致的直徑減少為85.87%，表明基于電磁閥的脈沖流態(tài)下微孔成泡尺寸減小的主要原因是脫附后氣泡兼并現(xiàn)象大幅改善。圖5展示了氣泡在不同供氣條件下的形成過程。

圖5 基于高頻電磁閥的脈沖流體下微孔成泡原理圖[4]

由圖5可知，在穩(wěn)定氣流條件下，由于空氣持續(xù)不斷地通過微孔，造成初始?xì)馀菖c后續(xù)氣泡連續(xù)兼并，形成的氣泡尺寸較大；在脈沖氣流條件下，動(dòng)量力增大導(dǎo)致初始?xì)馀菝摳胶笠暂^快上升速度離開，同時(shí)當(dāng)氣源關(guān)閉時(shí)，孔口處氣壓降低導(dǎo)致尾隨氣泡無法快速形成，降低了尾隨氣泡的成泡速率，二者共同作用擴(kuò)大了初始?xì)馀菖c尾隨氣泡之間的距離，從而減少了氣泡兼并，因而減小了成泡尺寸。然而氣泡從微孔的脫附尺寸決定了最終成泡尺寸的下限。因此，在脈沖氣流成泡的基礎(chǔ)上尋求一種能夠減小初始?xì)馀莩叽绲某膳莘绞绞菍淼闹攸c(diǎn)研究方向。

4 脈沖氣流-微孔成泡技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前脈沖氣流-微孔成泡技術(shù)在礦物浮選、藻類回收等領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了不少成果。

4.1 礦物浮選

氣泡大小決定了浮選回收效率，氣泡較小有利于回收難分選的微細(xì)粒礦物[31]。LI等[5]采用連續(xù)和脈沖兩種氣流成泡方式對(duì)不同粒徑的石英礦進(jìn)行了柱浮選回收試驗(yàn)，結(jié)果表明，相較于連續(xù)氣流，脈沖氣流下-10 μm超細(xì)顆粒的回收率提高了54%，表明成泡尺寸的減小可顯著提高難選微細(xì)粒礦物的浮選回收率。WANG等[32]通過將穩(wěn)定氣流變?yōu)槊}沖氣流，發(fā)現(xiàn)脈沖氣流成泡可以增大氣泡的分散性和氣含率，泡沫層穩(wěn)定性更高，大幅降低了表面活性劑用量，同時(shí)提高了難浮氧化煤的浮選效率。LI等[33]研究了脈沖氣流-微孔成泡技術(shù)對(duì)微細(xì)粒石英浮選效果的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖氣流成泡可以同時(shí)提高捕收區(qū)和泡沫區(qū)的回收率，進(jìn)而提高總浮選回收率，主要影響因素有脈沖頻率、開/關(guān)時(shí)間比和表觀氣速等。

同時(shí)，脈沖氣流下孔板結(jié)構(gòu)對(duì)成泡尺寸及其礦物浮選回收率的影響研究也受到了關(guān)注。JI等[34]量化解釋了脈沖流態(tài)下多孔板腔室體積越小越有利于維持氣流流動(dòng)形式的原因，且說明恒流狀態(tài)是保持氣體以脈沖形式通過微孔的必要條件；發(fā)現(xiàn)存在最佳孔板厚度，孔板過厚或者過薄均不利于控制氣泡尺寸；另外還發(fā)現(xiàn)脈沖氣流類似于穩(wěn)定氣流，增大孔徑會(huì)導(dǎo)致氣泡直徑相應(yīng)增大。

4.2 藻類回收

藻類作為一種生物燃料，能夠經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)出生物柴油，其生長繁殖的關(guān)鍵在于吸收空氣中的二氧化碳?xì)馀輀35]。GILMOUR等[36]利用流體振蕩器產(chǎn)生微氣泡并用于海藻回收，相較于連續(xù)氣流氣泡尺寸(1 059 μm)，脈沖氣流成泡尺寸(86 μm)大幅下降，海藻回收率高達(dá)98.1%。

4.3 其他領(lǐng)域

脈沖氣流成泡可以應(yīng)用于過濾膜清洗，且清洗效果遠(yuǎn)超穩(wěn)定氣流成泡的清洗效果。HARUN等[37]使用射流振蕩器生成氣泡的最高除霧率可達(dá)953 Pa/min，約為穩(wěn)定氣流除霧率的3倍，該技術(shù)能夠去除過濾膜表面的污垢，恢復(fù)膜的性能，提高污水處理效率。由于脈沖氣流的氣泡產(chǎn)生頻率高于穩(wěn)定氣流，因此，相同體積流量下產(chǎn)生較小氣泡尺寸的傳質(zhì)效率較高。在水處理領(lǐng)域，REHMAN等[38]研究發(fā)現(xiàn)，氣體流速在40～100 L/min時(shí)，脈沖氣流的傳質(zhì)效率均高于連續(xù)氣流的，氣體流速在100 L/min時(shí)，脈沖氣流的傳質(zhì)效率為70 h-1，是穩(wěn)定氣流下的2倍以上。針對(duì)使用臭氧降解藍(lán)毒素成本高的問題， PANDHAL等[39]設(shè)計(jì)了一個(gè)低溫等離子體介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器，該反應(yīng)器加裝了脈沖氣流曝氣器，產(chǎn)生的微氣泡用于輸送臭氧，實(shí)現(xiàn)了臭氧消毒與非熱等離子體消毒的成功結(jié)合。通過脈沖氣流供氣可以促進(jìn)甲醇?xì)怏w與脂肪酸等生物質(zhì)的反應(yīng)，產(chǎn)生的生物柴油能夠作為石油的替代品，促進(jìn)了資源的回收利用與可持續(xù)發(fā)展[40]。

5 結(jié)語

a.微孔成泡是氣液界面多種作用力共同作用的結(jié)果。將連續(xù)氣流轉(zhuǎn)換為脈沖氣流可顯著提高氣體動(dòng)量力，減小氣泡對(duì)浮力的依賴，促進(jìn)氣泡以較小尺寸提前脫附。

b.微孔成泡尺寸由脫附和兼并兩個(gè)過程共同決定。脈沖氣流降低微孔成泡直徑的主要原因是大幅減少了氣泡脫附和由尾流效應(yīng)導(dǎo)致的縱向兼并。

c.目前用于微孔成泡的脈沖氣流發(fā)生裝置主要有流體振蕩器和高頻電磁閥。流體振蕩器只能調(diào)節(jié)脈沖頻率，而高頻電磁閥可以同時(shí)調(diào)節(jié)脈沖頻率和單個(gè)周期內(nèi)的氣流通斷時(shí)間比，且二者因脈沖流態(tài)不同而導(dǎo)致的抑制氣泡兼并的機(jī)理也不同。

d.脈沖氣流-微孔成泡技術(shù)已在礦物浮選、藻類回收、污水處理設(shè)備膜組件的清洗等領(lǐng)域展示出了良好的應(yīng)用效果。